TAXA DE BAZĂ
legea lui Moseley. Sarcina electrică a nucleului este formată din protonii care alcătuiesc compoziția sa. Numărul de protoni Z numită sarcină, adică valoarea absolută a sarcinii nucleului este egală cu Ze. Sarcina nucleului este aceeași cu numărul de serie Z element din sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev. Pentru prima dată, încărcările nucleelor atomice au fost determinate de fizicianul englez Moseley în 1913. Măsurând lungimea de undă cu un cristal λ radiații de raze X caracteristice pentru atomii anumitor elemente, Moseley a descoperit o schimbare regulată a lungimii de undă λ pentru elemente care se succed unul după altul în sistemul periodic (Fig. 2.1). Moseley a interpretat această observație ca fiind dependență λ dintr-o constantă atomică Z, schimbând cu unu de la element la element și egal cu unul pentru hidrogen:
unde și sunt constante. Din experimente privind împrăștierea cuantelor de raze X de către electronii atomici și α -particule prin nuclee atomice, se știa deja că sarcina nucleului este aproximativ egală cu jumătate din masa atomică și, prin urmare, este apropiată de numărul ordinal al elementului. Deoarece emisia de radiații caracteristice de raze X este o consecință a proceselor electrice din atom, Moseley a concluzionat că constanta atomică găsită în experimentele sale, care determină lungimea de undă a radiației caracteristice de raze X și coincide cu numărul de serie al elementului. , poate fi doar sarcina nucleului atomic (legea lui Moseley).
Orez. 2.1. Spectrele de raze X ale atomilor elementelor vecine obtinute de Moseley
Măsurarea lungimilor de undă a razelor X se realizează cu mare precizie, astfel încât, pe baza legii lui Moseley, apartenența unui atom la un element chimic este stabilită în mod absolut fiabil. Cu toate acestea, faptul că constanta Zîn ultima ecuație se află sarcina nucleului, deși este fundamentată prin experimente indirecte, se bazează în cele din urmă pe postulat - legea lui Moseley. Prin urmare, după descoperirea lui Moseley, încărcăturile nucleelor au fost măsurate în mod repetat în experimente de împrăștiere. α -particule bazate pe legea lui Coulomb. În 1920, Chadwig a îmbunătățit metoda de măsurare a proporției împrăștiate α -particule și au primit sarcinile nucleelor atomilor de cupru, argint și platină (vezi tabelul 2.1). Datele lui Chadwig nu lasă îndoieli cu privire la validitatea legii lui Moseley. Pe lângă elementele indicate, în experimente au fost determinate și încărcăturile nucleelor de magneziu, aluminiu, argon și aur.
Tabelul 2.1. Rezultatele experimentelor lui Chadwick
Definiții. După descoperirea lui Moseley, a devenit clar că principala caracteristică a unui atom este încărcarea nucleului, și nu masa atomică a acestuia, așa cum au presupus chimiștii secolului al XIX-lea, deoarece sarcina nucleului determină numărul de electroni atomici și, prin urmare, proprietățile chimice ale atomilor. Motivul diferenței dintre atomii elementelor chimice este tocmai faptul că nucleele lor au un număr diferit de protoni în compoziția lor. Dimpotrivă, un număr diferit de neutroni în nucleele atomilor cu același număr de protoni nu modifică în niciun fel proprietățile chimice ale atomilor. Se numesc atomii care diferă doar prin numărul de neutroni din nucleele lor izotopi element chimic.
Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care își păstrează toate proprietățile chimice. Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ. Sarcina nucleului oricărui element chimic este egală cu produsul dintre Z și e, unde Z este numărul de serie al acestui element din sistemul periodic al elementelor chimice, e este valoarea sarcinii electrice elementare.
Electron- aceasta este cea mai mică particulă a unei substanțe cu sarcină electrică negativă e=1,6·10 -19 coulombi, luată ca sarcină electrică elementară. Electronii, care se rotesc în jurul nucleului, sunt localizați pe învelișurile de electroni K, L, M etc. K este învelișul cel mai apropiat de nucleu. Mărimea unui atom este determinată de mărimea învelișului său de electroni. Un atom poate pierde electroni și deveni un ion pozitiv sau poate câștiga electroni și deveni un ion negativ. Sarcina unui ion determină numărul de electroni pierduți sau câștigați. Procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion încărcat se numește ionizare.
nucleul atomic(partea centrală a atomului) constă din particule nucleare elementare - protoni și neutroni. Raza nucleului este de aproximativ o sută de mii de ori mai mică decât raza atomului. Densitatea nucleului atomic este extrem de mare. Protoni- Acestea sunt particule elementare stabile, având o sarcină electrică pozitivă unitară și o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Protonul este nucleul celui mai ușor element, hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este Z. Neutroni este o particulă elementară neutră (fără sarcină electrică) cu o masă foarte apropiată de masa unui proton. Deoarece masa nucleului este suma masei protonilor și neutronilor, numărul de neutroni din nucleul unui atom este A - Z, unde A este numărul de masă al unui izotop dat (vezi). Protonul și neutronul care formează nucleul se numesc nucleoni. În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe nucleare speciale.
Nucleul atomic are un depozit uriaș de energie, care este eliberată în timpul reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când nucleele atomice interacționează cu particulele elementare sau cu nucleele altor elemente. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se formează noi nuclei. De exemplu, un neutron se poate transforma într-un proton. În acest caz, o particulă beta, adică un electron, este ejectată din nucleu.
Tranziția în nucleul unui proton într-un neutron poate fi efectuată în două moduri: fie o particulă cu o masă egală cu masa unui electron, dar cu o sarcină pozitivă, numită pozitron (desintegrarea pozitronilor), este emisă din nucleul sau nucleul captează unul dintre electronii din cel mai apropiat înveliș K (K -capture).
Uneori, nucleul format are un exces de energie (este într-o stare excitată) și, trecând în starea normală, eliberează excesul de energie sub formă de radiație electromagnetică cu o lungime de undă foarte scurtă -. Energia eliberată în timpul reacțiilor nucleare este utilizată practic în diverse industrii.
Un atom (greacă atomos - indivizibil) este cea mai mică particulă a unui element chimic care are proprietățile sale chimice. Fiecare element este format din anumite tipuri de atomi. Structura unui atom include miezul care poartă o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ (vezi), formând învelișurile sale electronice. Valoarea sarcinii electrice a nucleului este egală cu Z-e, unde e este sarcina electrică elementară, egală ca mărime cu sarcina electronului (4,8 10 -10 unități e.-st.), iar Z este numărul atomic a acestui element în sistemul periodic al elementelor chimice (vezi .). Deoarece un atom neionizat este neutru, numărul de electroni incluși în el este, de asemenea, egal cu Z. Compoziția nucleului (vezi. Nucleul atomic) include nucleoni, particule elementare cu o masă de aproximativ 1840 de ori mai mare decât masa unui atom. electroni (egal cu 9,1 10 - 28 g), protoni (vezi), încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină (vezi). Numărul de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este notat cu litera A. Numărul de protoni din nucleu, egal cu Z, determină numărul de electroni care intră în atom, structura învelișurilor de electroni și substanța chimică. proprietățile atomului. Numărul de neutroni din nucleu este A-Z. Izotopii sunt numiți varietăți ale aceluiași element, ale căror atomi diferă între ei ca număr de masă A, dar au același Z. Astfel, în nucleele atomilor diferiților izotopi ai unui element există un număr diferit de neutroni cu același număr de protoni. La desemnarea izotopilor, numărul de masă A este scris în partea de sus a simbolului elementului, iar numărul atomic în partea de jos; de exemplu, izotopii oxigenului sunt notați: 
Dimensiunile atomului sunt determinate de dimensiunile învelișurilor de electroni și pentru tot Z sunt de aproximativ 10 -8 cm. Deoarece masa tuturor electronilor atomului este de câteva mii de ori mai mică decât masa nucleului, masa de atomul este proporțional cu numărul de masă. Masa relativă a unui atom al unui izotop dat se determină în raport cu masa unui atom al izotopului de carbon C 12, luată ca 12 unități, și se numește masă izotopică. Se dovedește a fi aproape de numărul de masă al izotopului corespunzător. Greutatea relativă a unui atom al unui element chimic este valoarea medie (ținând cont de abundența relativă a izotopilor unui element dat) a greutății izotopice și se numește greutatea atomică (masă).
Un atom este un sistem microscopic, iar structura și proprietățile lui pot fi explicate doar cu ajutorul teoriei cuantice, creată în principal în anii 20 ai secolului XX și menită să descrie fenomene la scară atomică. Experimentele au arătat că microparticulele - electroni, protoni, atomi etc. - pe lângă corpusculare, au proprietăți de undă care se manifestă prin difracție și interferență. În teoria cuantică, pentru a descrie starea micro-obiectelor, se folosește un anumit câmp de undă, caracterizat printr-o funcție de undă (funcția Ψ). Această funcție determină probabilitățile stărilor posibile ale micro-obiectului, adică caracterizează posibilitățile potențiale de manifestare a uneia sau alteia dintre proprietățile sale. Legea de variație a funcției Ψ în spațiu și timp (ecuația Schrödinger), care face posibilă găsirea acestei funcții, joacă același rol în teoria cuantică ca și legile mișcării lui Newton din mecanica clasică. Rezolvarea ecuației Schrödinger conduce în multe cazuri la stări posibile discrete ale sistemului. Deci, de exemplu, în cazul unui atom, se obține o serie de funcții de undă pentru electroni corespunzătoare unor valori diferite (cuantificate) de energie. Sistemul nivelurilor de energie ale atomului, calculat prin metodele teoriei cuantice, a primit o confirmare strălucitoare în spectroscopie. Tranziția unui atom de la starea fundamentală corespunzătoare celui mai scăzut nivel de energie E 0 la oricare dintre stările excitate E i are loc atunci când o anumită porțiune de energie E i - E 0 este absorbită. Un atom excitat intră într-o stare mai puțin excitată sau fundamentală, de obicei cu emisia unui foton. În acest caz, energia fotonului hv este egală cu diferența dintre energiile unui atom în două stări: hv= E i - E k unde h este constanta lui Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v este frecvența de lumina.
Pe lângă spectrele atomice, teoria cuantică a făcut posibilă explicarea altor proprietăți ale atomilor. În special, au fost explicate valența, natura legăturii chimice și structura moleculelor și a fost creată teoria sistemului periodic de elemente.
Sarcina nucleară () determină locația elementului chimic în tabelul D.I. Mendeleev. Numărul Z este numărul de protoni din nucleu. Cl este sarcina protonului, care este egală ca mărime cu sarcina electronului.
Subliniem încă o dată că sarcina nucleului determină numărul de sarcini elementare pozitive purtate de protoni. Și deoarece atomul este în general un sistem neutru, încărcătura nucleului determină și numărul de electroni din atom. Și ne amintim că electronul are o sarcină elementară negativă. Electronii dintr-un atom sunt distribuiți pe învelișuri și subînvelișuri energetice în funcție de numărul lor, prin urmare, sarcina nucleului are un efect semnificativ asupra distribuției electronilor în stările lor. Proprietățile chimice ale unui atom depind de numărul de electroni la ultimul nivel de energie. Se pare că sarcina nucleului determină proprietățile chimice ale substanței.
Acum se obișnuiește să se desemneze diferite elemente chimice după cum urmează: , unde X este simbolul unui element chimic din tabelul periodic, care corespunde sarcinii.
Elementele care au același Z, dar mase atomice diferite (A) (ceea ce înseamnă că nucleul are același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni) se numesc izotopi. Deci, hidrogenul are doi izotopi: 1 1 H-hidrogen; 2 1 H-deuteriu; 3 1 H-tritiu
Există izotopi stabili și instabili.
Nucleii cu aceeași mase dar cu sarcini diferite se numesc izobare. Izobarele se găsesc în principal printre nucleele grele și în perechi sau triade. De exemplu, și .
Prima măsurătoare indirectă a sarcinii nucleare a fost făcută de Moseley în 1913. El a stabilit o relație între frecvența radiației caracteristice cu raze X () și sarcina nucleară (Z):
unde C și B sunt constante independente de elementul pentru seria de radiații luată în considerare.
Încărcarea nucleului a fost determinată direct de Chadwick în 1920, în timp ce studia împrăștierea nucleelor atomului de heliu pe filmele metalice.
Compoziția miezului
Nucleul unui atom de hidrogen se numește proton. Masa unui proton este:
Nucleul este format din protoni și neutroni (numiți în mod colectiv nucleoni). Neutronul a fost descoperit în 1932. Masa neutronului este foarte apropiată de masa protonului. Neutronul nu are sarcină electrică.
Suma numărului de protoni (Z) și a numărului de neutroni (N) din nucleu se numește număr de masă A:
Deoarece masele neutronului și protonului sunt foarte apropiate, fiecare dintre ele este egală cu aproape o unitate de masă atomică. Masa electronilor dintr-un atom este mult mai mică decât masa nucleului, deci se crede că numărul de masă al nucleului este aproximativ egal cu masa atomică relativă a elementului, dacă este rotunjită la cel mai apropiat număr întreg.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
| Exercițiu | Nucleele sunt sisteme foarte stabile, prin urmare, protonii și neutronii trebuie păstrați în interiorul nucleului printr-un fel de forță. Ce poți spune despre aceste forțe? |
| Decizie | Se poate observa imediat că forțele care leagă nucleonii nu aparțin celor gravitaționale, care sunt prea slabe. Stabilitatea nucleului nu poate fi explicată prin prezența forțelor electromagnetice, deoarece între protoni, ca particule purtând sarcini de același semn, nu poate exista decât repulsie electrică. Neutronii sunt particule neutre din punct de vedere electric. Un tip special de forță acționează între nucleoni, care se numesc forțe nucleare. Aceste forțe sunt de aproape 100 de ori mai puternice decât forțele electrice. Forțele nucleare sunt cele mai puternice dintre toate forțele cunoscute din natură. Interacțiunea particulelor din nucleu se numește puternică. Următoarea caracteristică a forțelor nucleare este că sunt cu rază scurtă de acțiune. Forțele nucleare devin vizibile doar la o distanță de ordinul cm, adică la o distanță de dimensiunea nucleului. |
EXEMPLUL 2
| Exercițiu | La ce distanță minimă se poate apropia nucleul unui atom de heliu, având o energie cinetică egală cu cea dintr-o coliziune frontală, de nucleul nemișcat al unui atom de plumb? |
| Decizie | Să facem un desen. Luați în considerare mișcarea nucleului unui atom de heliu (- particule) într-un câmp electrostatic, care creează un nucleu nemișcat al unui atom de plumb. - particula se deplasează spre nucleul atomului de plumb cu o viteză care scade la zero, deoarece între particulele cu încărcare similară acţionează forţe de respingere. Energia cinetică pe care o deține particula se va transforma în energia potențială de interacțiune - particule și câmpuri (), care creează nucleul atomului de plumb: Exprimăm energia potențială a unei particule într-un câmp electrostatic ca: unde este sarcina nucleului unui atom de heliu; - intensitatea câmpului electrostatic, care creează nucleul atomului de plumb.
Din (2.1) - (2.3) obținem: |
Investigand trecerea unei particule α printr-o folie subțire de aur (vezi Secțiunea 6.2), E. Rutherford a ajuns la concluzia că un atom este format dintr-un nucleu greu încărcat pozitiv și electroni care îl înconjoară.
miez numit centrul atomului,în care se concentrează aproape toată masa unui atom şi sarcina lui pozitivă.
LA compoziția nucleului atomic include particule elementare : protoni și neutroni (nucleonii din cuvântul latin nucleu- miez). Un astfel de model proton-neutron al nucleului a fost propus de fizicianul sovietic în 1932 D.D. Ivanenko. Protonul are o sarcină pozitivă e + = 1,06 10 -19 C și o masă în repaus m p\u003d 1.673 10 -27 kg \u003d 1836 pe mine. neutroni ( n) este o particulă neutră cu masă în repaus m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 pe mine(unde masa electronului pe mine, este egal cu 0,91 10 -31 kg). Pe fig. 9.1 arată structura atomului de heliu conform ideilor de la sfârșitul secolului XX - începutul secolului XXI.
Taxa de bază egală Ze, Unde e este sarcina protonului, Z- numărul de taxare egal cu număr de serie element chimic din sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev, i.e. numărul de protoni din nucleu. Se notează numărul de neutroni dintr-un nucleu N. Obișnuit Z > N.
Nuclee cu Z= 1 la Z = 107 – 118.
Numărul de nucleoni din nucleu A = Z + N numit numar de masa . nuclee cu aceleaşi Z, dar diferit DAR numit izotopi. Sâmburi, care, în același timp A au diferite Z, sunt numite izobare.
Nucleul este notat cu același simbol ca atomul neutru, unde X este simbolul unui element chimic. De exemplu: hidrogen Z= 1 are trei izotopi: – protium ( Z = 1, N= 0), este deuteriu ( Z = 1, N= 1), – tritiu ( Z = 1, N= 2), staniul are 10 izotopi și așa mai departe. Marea majoritate a izotopilor aceluiași element chimic au aceleași proprietăți chimice și fizice apropiate. În total, sunt cunoscuți aproximativ 300 de izotopi stabili și peste 2000 naturali și obținuți artificial. izotopi radioactivi.
Mărimea nucleului este caracterizată de raza nucleului, care are o semnificație condiționată datorită estompării limitei nucleului. Chiar și E. Rutherford, analizând experimentele sale, a arătat că dimensiunea nucleului este de aproximativ 10–15 m (dimensiunea unui atom este de 10–10 m). Există o formulă empirică pentru calcularea razei miezului:
| , | (9.1.1) |
Unde R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Din aceasta se poate observa că volumul nucleului este proporțional cu numărul de nucleoni.
Densitatea substanţei nucleare este de ordinul a 10 17 kg/m 3 şi este constantă pentru toţi nucleele. Depășește cu mult densitatea celor mai dense substanțe obișnuite.
Protonii și neutronii sunt fermioni, deoarece au spin ħ /2.
Nucleul unui atom are propriul moment unghiular – spin nuclear :
 ,
|
(9.1.2) |
Unde eu – intern(complet)număr cuantic de spin.
Număr eu acceptă valori întregi sau jumătate întregi 0, 1/2, 1, 3/2, 2 etc. Sâmburi cu chiar DAR avea spin întreg(în unități ħ ) și respectați statisticile Bose–Einstein(bozoni). Sâmburi cu ciudat DAR avea spin semiîntreg(în unități ħ ) și respectați statisticile Fermi–Dirac(acestea. nucleii sunt fermioni).
Particulele nucleare au propriile lor momente magnetice, care determină momentul magnetic al nucleului în ansamblu. Unitatea de măsurare a momentelor magnetice ale nucleelor este magneton nuclear μ otravă:
| . | (9.1.3) |
Aici e este valoarea absolută a sarcinii electronului, m p este masa protonului.
Magneton nuclear în m p/pe mine= 1836,5 ori mai mic decât magnetonul Bohr, de aici rezultă că proprietățile magnetice ale atomilor sunt determinate de proprietățile magnetice ale electronilor săi .
Există o relație între spin-ul nucleului și momentul său magnetic:
| , | (9.1.4) |
unde otrava γ - raportul giromagnetic nuclear.
Neutronul are un moment magnetic negativ μ n≈ - 1,913μ otravă deoarece direcția spinului neutronilor și momentul său magnetic sunt opuse. Momentul magnetic al protonului este pozitiv și egal cu μ R≈ 2,793μ otravă. Direcția sa coincide cu direcția spinului protonului.
Distribuția sarcinii electrice a protonilor peste nucleu este în general asimetrică. Măsura abaterii acestei distribuții de la simetricul sferic este momentul electric patrupol al nucleului Q. Dacă se presupune că densitatea de sarcină este aceeași peste tot, atunci Q determinat doar de forma nucleului. Deci, pentru un elipsoid al revoluției
 ,
|
(9.1.5) |
Unde b este semiaxa elipsoidului de-a lungul direcției de spin, A- axa in directie perpendiculara. Pentru un nucleu întins de-a lungul direcției de rotație, b > Ași Q> 0. Pentru un nucleu oblat în această direcție, b < Ași Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = Ași Q= 0. Acest lucru este valabil pentru nucleele cu spin egal cu 0 sau ħ /2.
Pentru a vizualiza demonstrații, faceți clic pe hyperlinkul corespunzător:
